co so khoa ho c va t lie u chuong11 181

CHƯƠNG 11 TÍNH CHẤT ĐIỆN VÀ TỪ 11.1 Tính chất điện 11.1.1 Khái niệm • Tính chất điện đáp ứng vật liệu tác động điện trường bên ngồi, • Tính chất điện thể khả tạo dòng điện chạy qua vật liệu áp đặt điện lên vật liệu 11.1.1.1 Định luật Ohm V = IR với R điện trở (resistance) [Ω] Điện trở suất (Resistivity) ρ = (A /L)R A: diện tích mặt cắt ngang [m2], L: chiều dài [m], ρ: điện trở suất [Ω.m] 11.1.1.2 Độ dẫn điện (Conductivity) σ = 1/ρ = nqμ [Ω-1m-1], [mho/m] (mho = ohm-1) n: Số chất mang điện tích / đơn vị thể tích (Số chất mang điện tích /m3) • Đối với dẫn điện tử: chất mang điện tử lỗ • Đối với dẫn ion: chất mang ion dương, ion âm, trống cation, trống anion q: Điện tích chất mang • Dẫn điện tử q = q (điện tử) = 1,6.10-19 C • Dẫn ion q = Z x 1,6.10-19 C (1C = 1A.s) với Z hóa trị ion Chất rắn ion thường chứa nhiều loại ion nên σ = ∑ (n i q i μ i ) i μ: Độ chuyển dịch chất mang [m2/V.s]: biểu thị khả di chuyển chất mang ngang qua chất rắn tác dụng gradient điện • Các ion di chuyển qua chất rắn nhờ khuếch tán • Các điện tử có kích thước nhỏ nhiều so với ion nên dễ ngang qua chất rắn bị cản trở hơn, chế dẫn ion điện tử khác 11.1.2 Cơ chế dẫn điện tử • Để đơn giản xem điện tử hạt rắn • Khi có điện trường áp đặt điện tử tăng tốc để phía cực dương • Điện tử có gia tốc khơng đổi va chạm với nhân nguyên tử Giả sử tốc độ điện tử = • Sau va chạm, điện tử lại tăng tốc tiếp tục thực chu kỳ tăng tốc – va chạm • Tốc độ trung bình điện tử v = at với t thời gian trung bình va chạm a gia tốc điện trường Do gia tốc tỉ lệ với cường độ điện trường, nên v tỉ lệ với cường độ điện trường E [V/m] Hệ số tỉ lệ độ chuyển dịch điện tử μ v = μE = a t • Khi E = const → a = const, μ tỉ lệ với thời gian trung bình hai va chạm t • Khi nhiệt độ tăng, nguyên tử nhận nhiệt năng, động bắt đầu dao động quanh vị trí cân • Nhiệt độ tăng, biên độ dao động lớn làm tăng rối loạn cấu trúc tinh thể, làm giảm thời gian trung bình hai va chạm, từ giảm μ • Vì nhiệt độ tăng độ dẫn điện chất dẫn điện tử giảm (hình a) • Tăng khuyết tật mạng (điểm, đường, mặt) làm tăng rối loạn cấu trúc, giảm , giảm μ giảm σ (hình b) • Một số cơng thức khác: Cường độ dòng điện: I [A] = q/t [Coulomb/s] = nqv A Mật độ dòng điện: i [A/m2] = I /A = nqv Cường độ điện trường: E [Volt/m] = V/L, Độ dẫn điện: σ [Ω-1m-1] = i/E 11.1.3 Miền lượng • Theo học lượng tử, nguyên tử riêng lẻ, lượng điện tử mức lượng rời rạc • Ngồi ra, theo ngun lý loại trừ Pauli, khơng có hai điện tử có spin mà lại chiếm mức lượng • Khi số lớn nguyên tử kết hợp với tạo thành chất rắn thì: Mức lượng cho phép phụ thuộc vào khoảng cách nguyên tử Các mức lượng rời rạc nguyên tử riêng lẻ, trải rộng tạo thành miền lượng Các điện tử hóa trị điện tử lớp ngồi khơng cịn định vị nguyên tử nữa, mà trở thành điện tử tự chuyển động hổn loạn tinh thể • Trong chất rắn kim loại ion số mức lượng miền số nguyên tử chất rắn nhân với số mức lượng rời rạc nguyên tử riêng lẻ • Để sử dụng miền lượng phù hợp cần phải xác định khoảng cách cân nguyên tử • Các mức lượng thấp điền đầy trước tiên Mức lượng7 điền đầy gọi mức lượng Fermi, Ef Ở K, E < Ef → điền đầy • Khi X > X1 mức lượng giống ngun tử riêng lẻ (hình b) • Khi X < X2 mức lượng ban đầu trãi rộng tạo thành miền lượng Độ rộng miền tăng X giảm mức lượng cao độ rộng miền lớn (hình c d) • Miền lượng cao (chứa điện tử miền phải bị điện tử chiếm phần toàn bộ) gọi miền hóa trị (valence band) • Các miền nằm miền hóa trị gọi miền lõi (core band) • Miền nằm miền hóa trị gọi miền dẫn (conduction band) • Miền nằm miền dẫn miền hóa trị gọi miền cấm (band gap) 11.1.3.1 Quan hệ miền lượng số e di chuyển • Xét điện tử ban đầu mức lượng Eo • Khi áp đặt điện thế, điện tử tăng tốc lượng tăng lên lượng nhỏ ΔE • Muốn điện tử di chuyển phải có mức lượng trống Eo + ΔE → việc dẫn điện địi hỏi phải có mức lượng trống khơng khác nhiều so với mức lượng mà điện tử chiếm chỗ 10 ... để phía c? ? ?c dương • Điện t? ?? c? ? gia t? ? ?c khơng đổi va chạm với nhân nguyên t? ?? Giả sử t? ? ?c độ điện t? ?? = • Sau va chạm, điện t? ?? lại t? ?ng t? ? ?c tiếp t? ? ?c th? ?c chu kỳ t? ?ng t? ? ?c – va chạm • T? ? ?c độ trung bình... μ: Độ chuyển dịch ch? ?t mang [m2/V.s]: bi? ?u thị khả di chuyển ch? ?t mang ngang qua ch? ?t rắn t? ?c dụng gradient điện • C? ?c ion di chuyển qua ch? ?t rắn nhờ khuếch t? ?n • C? ?c điện t? ?? c? ? kích thư? ?c nhỏ... t? ?? c? ? spin mà lại chiếm m? ?c lượng • Khi số lớn nguyên t? ?? k? ?t hợp với t? ??o thành ch? ?t rắn thì: M? ?c lượng cho phép phụ thu? ?c vào khoảng c? ?ch nguyên t? ?? C? ?c m? ?c lượng rời r? ?c nguyên t? ?? riêng lẻ, trải